27/06/2018
Door Ad Spijkers
Een team van natuurkundigen aan de Technische Universität München is het gelukt om met behulp van slechts nanometers grote metalen antennes ultrakorte elektrische pulsen op een chip op te wekken en deze enkele millimeters verder weer gecontroleerd uit te lezen.
De klassieke elektronica maakt frequenties tot ongeveer 100 GHz mogelijk. De opto-elektronica maakt gebruik van elektromagnetische fenomenen vanaf 10 THz. Het gebied daar tussenin geldt als het zogeheten Terahertz-gat omdat componenten voor signaalopwekking, -omzetting en -detectie tot nu toe extreem moeilijk te realiseren zijn. De nieuwe techniek maakt de ontwikkeling van nieuwe, krachtige Terahertz-componenten mogelijk.
Het is de wetenschappers in München met behulp van minuscule, zogeheten plasmonische antennes gelukt elektrische pulsen in het frequentiebereik tot 10 THz op te wekken en via een chip te laten lopen. De onderzoekers noemen de antennes plasmonisch wanneer deze op grond van hun vorm de lichtintensiteit op metalen oppervlakken versterken.
Asymmetrische antennes
Er is een belangrijke rol weggelegd voor de vorm van de antennes. Ze zijn asymmetrisch: één zijde van de nanometers grote metalen structuren is spitser dan de andere. Genereert een via een lens gefocuste laserpuls de antennes aan, dan emitteren ze aan hun spitse zijde meer elektronen dan aan de tegenoverliggende vlakken. Tussen deze contacten ontstaat een elektrische stroom, maar slechts zolang als de antennes door het laserlicht worden aangestraald.
Bij de foto-emissie worden elektronen die door de lichtpuls zijn getriggerd, uit het metaal het vacuüm ingestuurd. Alle lichteffecten zijn sterker aan de spitse zijn, ook de foto-emissie met behulp waarvan de onderzoekers een kleine stroom opwekken.
Ultrakorte Terahertz-signalen
De lichtpulsen zijn slechts enkele femtoseconden lang en de elektrische pulsen in de antennes zijn dus even kort. Technisch is de opbouw bijzonder interessant, omdat de nano-antennes kunnen worden geïntegreerd in de meerdere millimeters grote Terahertz-schakelingen. Een femtoseconde-laserpuls met een frequentie van 200 THz zou volgens de onderzoekers in de schakelingen op de chip een ultrakort signaal met een frequentie tot 10 THz kunnen opwekken.
Als chipmateriaal gebruikten de onderzoekers saffier, omdat dit optisch niet kan worden geprikkeld en daarom geen storing veroorzaakt. Met het oog op toekomstige toepassingsgebieden zetten ze lasers met een golflengte van 1,5 µm in, zoals die ook in conventionele internet glasvezelkabels worden gebruikt.
De onderzoekers deden nóg een verbazingwekkende ontdekking. Zowel de elektrische als de Terahertz-pulsen hingen niet lineair af van het stimuleringsvermogen van de gebruikte laser. Dit wijst er op, dat de foto-emissie in de antennes door de absorptie van meerdere protonen per lichtpuls wordt veroorzaakt. Dergelijke niet-lineaire on-chip pulsen zijn tot nu toe niet waargenomen. De onderzoekers hopen met behulp hiervan nog sneller tunnelemissie-effecten te ontdekken en ook voor chiptoepassingen te kunnen gebruiken.
(foto's: Alexander Holleitner / TUM)